1.4. Типы архитектур микроконтроллеров
Рассмотрим основные типы архитектур МК, которые определяются совмещением ШД, ША, ШК.
1. Архитектура с Q-шиной. Для этого типа архитектуры МК характерной особенностью является совмещение ШД, ША, ШК (рисунок 1.4.1). При этом по организации памяти – это архитектура фон-Неймановского типа, а по способу управления – это архитектура с программным управлением, то есть CISC-архитектура.
Рисунок 1.4.1
При совмещение ШД, ША, ШК в каждом цикле выполнения команды последовательно по Q-шине передаются: адрес команды, команда из ПЗУ, адрес данных, данные в ОЗУ или из ОЗУ. Необходимым условием работы такой структуры является наличие интерфейса (ИФ) в каждом устройстве, подключаемом к Q-шине. ИФ дешифрирует адрес и разрешает работу своего устройства. При этом дополнительно используются служебные сигналы от МП, которые передают признак передачи адреса по Q-шине и признак режима работы – чтение или запись данных во внешние устройства.
Совмещение шин позволило уже на начальном этапе развития МП реализовать операции с 16-ти разрядными данными, тогда как другие типы архитектур предполагали использование лишь 4-х и 8-ми разрядных ШД.
Достоинством данного типа архитектуры МК является простота в организации МК и возможность наращивания разрядности данных.
Недостатком - снижение быстродействия из-за последовательного способа передачи по совмещенной шине адресов, команд и данных.
Для данного типа архитектуры МК в нашей стране были разработаны микропроцессорные комплекты (МПК) К581, К588, К1801, К1806, К1811 и т.д., на базе которых отечественной промышленностью в 80-е годы был освоен выпуск первых ПЭВМ - «Электроника-60» и многочисленных ее модификаций. Развитием этого направления был выпуск ПЭВМ типа ДВК-1,2,3,4, а также “Электроника-85”.
2. Архитектура с микрокомандным управлением. Для данного типа архитектуры МК характерными признаками является раздельное существование ШД, ША, ШК (рисунок 1.4.2). При этом по организации памяти – это архитектура гарвардского типа, а по способу управления – это архитектура с микропрограммным управлением, то есть RISC-архитектура.
Как отмечено в п.1.3. при микрокомандном управлении каждый разряд микрокоманды управляет соответствующим устройством МП. Такой способ управления характеризуется определенной избыточностью, так как большое количество устройств в МП используется крайне редко, а управляющие разряды для них выделены и должны присутствовать в микрокоманде. Но микрокомандное управление позволяет реализовать чтение команды из памяти и выполнение ее за один такт основной тактовой частоты, что обеспечивает реализацию в микроЭВМ и МК с микрокомандным управлением максимальное быстродействие только за счет архитектуры, без учета быстродействия элементов схемы МП.
Рисунок 1.4.2 Архитектура МК с микропрограммным управлением
Последовательность работы МК следующая:
после включения питания или снятия сигнала “Сброс” УУ формирует на ША начальный адрес программы. Это, как правило, нулевой адрес;
в ПЗУ-МКД читается первая микрокоманда, разряды которой управляют различными устройствами МП;
на выходе ПЗУ-МКД включен регистр-защелка РгМКД, который выполняет привязку фронтов микрокоманды из ПЗУ к фронту тактовой последовательности Т и исключает ложные срабатывания устройств МП;
разряды микрокоманды определяют шину управления ШК;
часть разрядов ШК управляют операционным блоком (ОБ). В результате выполнения операции в ОБ формируются признаки: S-знак результата, Z-нулевой результат, C-перенос, OV-переполнение разрядной сетки;
если реализуется команда условного перехода, то переключатель признаков по управляющим разрядами ШК выбирает соответствующий признак и подает его на вход УУ;
УУ формирует адрес следующей микрокоманды.
На структурной схеме (рисунок 1.4.2) не представлено ОЗУ, которое подключается к ШД аналогично УВВ.
Особенностью данной архитектуры является то, что все управляющие разряды ШК читаются параллельно, отсутствует фаза дешифрирования управляющего кода и микрокоманда выполняется за один такт. Таким образом реализуется максимально возможное быстродействие МК.
Недостатком данного типа архитектуры МК является большие аппаратные затраты и избыточность микрокоманды. Но благодаря открытой архитектуре микрокоманда может иметь сокращенный размер, если количество функций контроллера ограничено.
Для данного типа архитектуры МК в нашей стране были разработаны микропроцессорные комплекты К589, К1800, К1802, К1804 (аналог Am2900 фирмы AMD), К1822 и другие, на базе которых отечественной промышленностью в 80-е годы был освоен выпуск ЭВМ – СМ1300, СМ1420, СМ1700 и других.
3. Архитектура с частичным совмещением шин. Основоположником этого типа архитектуры явилась фирма Intel. Основными характеристиками данной архитектуры является совмещение ШД и ШК, при этом
Ш
А
существует отдельно (рисунок 1.4.3).
Рисунок 1.4.3 Архитектура МК с частичным совмещением шин
По организации памяти – это архитектура фон-Неймановского типа, а по способу управления – это архитектура с программным управлением, то есть с фиксированной системой команд или CISC-архитектура.
В каждом цикле выполнения команды по ШД сначала передаются команды, а потом данные. С точки зрения достоинств и недостатков данная архитектура носит промежуточный характер между двумя типами архитектур МК, рассмотренных выше.
Этот тип архитектуры также был успешно освоен отечественной промышленностью. Были разработаны микропроцессорные комплекты К580, К1810, К1821, К1858 (аналог – Z80 фирмы Zilog) и т.д., на базе которых отечественной промышленностью в 70-е и 80-е годы выпускались ПЭВМ – СМ1800, СМ1810, Искра 1030, ЕС1840, Нейрон И6.99.